李大勇1，房亞囡1，王  洋1，楊  暢1，蔡  飛2，楊經超3

　　(1.國網天津市電力公司，天津300010；2.強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學），湖北 武漢430074；

　　3.武漢凱默電氣有限公司，湖北 武漢430000)

　　摘  要： 目前智能變電站中智能電子設備（IED）的網絡測試缺乏充分的測試依據與有效的測試方法。本文對IED設備網絡壓力的產生機理展開分析，根據不同IED設備的功能特點提出了針對性的網絡性能指標。在此基礎上，探討了網絡壓力測試的基本原則與方法，并研發了一款能夠對IED設備網絡性能各項指標進行測試的網絡測試儀，對智能變電站網絡的設計以及壓力測試提供了指導性作用。

　　關鍵詞： 智能變電站；網絡壓力測試；訂閱報文

0 引言

　　智能變電站自動化系統由站控層、間隔層、過程層三部分組成[1]，如圖1所示。三層之間采用分層、分區的開放式網絡連接，取消了曾在傳統變電站設備之間被大量使用的二次電纜。其中，智能開關的狀態量、控制量以及電子式互感器采集的模擬量由過程層網絡負責傳輸。然后通過以太網實現變電站事件報文、采樣值報文以及網絡對時報文在保護、測控、計量及故障錄波等智能電子設備間的網絡通信。與過程層網絡功能和性能相關的設備主要包括：交換機、合并單元、智能終端、數字化保護測控裝置、故障錄波和網路報文記錄裝置，本文中簡稱為智能電子設備（IED）。

　　網絡平臺的引入使IED設備高度依賴網絡報文的穩定傳輸，一旦網絡出現異常，可能使IED設備的某些功能喪失，保護裝置不能正常工作，嚴重時甚至連鎖引發電力安全事故[2]。為了保證IED設備的網絡性能指標滿足電網安全穩定運行要求，需要對IED設備進行全面的網絡壓力測試。

　　目前國網大部分智能變電站主要采用“直采直跳”的模式，即智能變電站繼電保護遵循直接采樣、直接跳閘的原則[3]。但即使在“直采直跳”的模式下，SV網、GOOSE網依然存在，MU、保護裝置及智能終端依然與SV網和GOOSE網相連，如圖1所示，跨間隔的信息傳輸與共享仍然通過SV網和GOOSE網實現。若SV網和GOOSE網發生網絡風暴，仍會對IED設備的組網造成較大網絡壓力，可能會影響其正常工作。因此，即使在“直采直跳”的模式下，仍需對IED設備進行全面的網絡壓力測試與性能評價。

　　隨著智能變電站的發展，新一代智能變電站試點及推廣及站域保護的引入，“網采網跳”和“三網合一”模式將更多地被采用，對IED設備網絡可靠性及其耐壓能力的要求將更高。

　　目前智能變電站過程層網絡測試多是圍繞著交換機進行，而較少涉及對智能電子設備（IED）的網絡網性能測試。本文詳細分析了智能變電站過程層網絡壓力產生的機理，以此為基礎提出了IED設備應對網絡壓力應具備的性能要求。結合所分析的網絡壓力產生原因，介紹了網絡壓力測試的基本原則，并給出一種可實現的網絡測試方式，為實際工程應用中網絡壓力測試提供依據。

1 網絡壓力產生的機理

　　網絡壓力產生機理主要有以下幾個方面：

　　（1）IED設備故障，向網絡重復發送報文

　　如前所述，對于一個500 kV智能變電站，接入過程層SV網或GOOSE網的IED設備數量龐大。若其中的一個或幾個IED設備出現故障，該IED設備可能會向網絡重復發送大流量的報文，且這些報文類型并不可測，可能為訂閱報文，也可能為非訂閱報文。由于其不可預測性，需考慮GOOSE報文的ST值、SQ值可能同時發生變化，此時IED對訂閱報文的解析需精確到變位的通道層次，因而IED設備對內部CPU及內存資源的消耗最為嚴重。

　　（2）GOOSE心跳報文自然同步

　　在智能變電建設中，GOOSE網作為間隔層之間及間隔層與過程層之間通信的橋梁，其功能主要包括：傳遞遙信信息、間隔閉鎖信息、保護跳閘以及遙控操作信息等[4]。對于一個500 kV智能變電站，網絡中GOOSE控制塊數目可達到300~400個[5]。每個控制塊都是按照各自的時間基準并以T0(通常設為5 s)為時間間隔發送心跳報文，目前現場從運行維護角度出發傾向于GOOSE網絡不作VLAN劃分，網絡中對于非訂閱報文存在著一定數量的GOOSE控制塊心跳報文自然同步的可能性，即在短時間內同時按T0時間間隔同步發送GOOSE報文，在很短的t時間內形成大量的GOOSE報文流量，網絡壓力陡增。對于訂閱報文，目前單端口工程配置控制塊數最多可達到15個，考慮最嚴峻的情況，最多會出現15個GOOSE控制塊心跳報文自然同步。

　　（3）交換機“泛洪”

　　正常情況下交換機可以“學習”MAC地址，并把其存放在內部地址表中，通過在報文的始發者和目標接收者之間建立臨時的交換路徑，使報文直接由源地址到達目的地址。但是，如果配置錯誤，則報文始發者會向從未學習過的交換機端口發送報文，從而導致交換機泛洪，即將該端口收到的數據流從除該接口之外其他的端口發送出去，最終在交換機的其他端口產生流量壓力。

　　（4）A、B網物理隔離破壞

　　目前智能變電站主要配置兩套SV網和GOOSE網，稱為A、B網，要求A、B網完全物理隔離，配置不同的CT、PT以及合并單元、保護裝置等。若A、B網之間跨接了沒有完全物理隔離的IED設備，或原隔離的物理設備損壞引起隔離被破壞，則會導致A、B網報文會互通，網絡流量增加。

　　（5）開關量抖動

　　接入智能終端的硬接點開入量頻繁抖動，使GOOSE報文中ST值頻繁變化，導致報文雪崩，造成網絡流量急劇上升。

　　（6）網絡形成環路

　　由于外在的因素，使原來星形運行的網絡形成環路，報文會在網絡中被重復轉發，導致網絡中出現大量重復報文，增加網絡流量。

　　（7）交換機異常

　　交換機VLAN配置運行過程中出現混亂，導致報文跨WLAN傳輸；亦或交換機自身向外發送以太網報文，均會造成網絡流量的增加。

　　（8）檢修時人為誤操作

　　對于按間隔進行VLAN劃分的交換機，在檢修時測試儀或筆記本電腦接至過程層網絡，因測試儀或筆記本電腦發送的報文VLAN配置錯誤，向網絡上發送大量SV、GOOSE VLAN配置不正確的報文，形成非檢修間隔的網絡壓力。這種壓力報文可能是訂閱的或非訂閱的，對于GOOSE來說可能ST、SQ同時變化。

　　（9）自然災害

　　臺風、地震、冰災等自然災害引起大面積電力故障，保護頻繁跳閘，導致短時間內產生大量GOOSE報文，網絡壓力驟增。

2 IED設備網絡壓力測試基本原則

　　首先對IED設備進行單裝置測試，再進行IED設備整體網絡性能測試。單裝置測試，可直接對端口施加網絡壓力，不需要網絡支撐。整體網絡性能測試，在網絡組建完成后進行，可比較完整地測試壓力流量下跨間隔信息傳遞的正確性。

　　其次，在對IED設備進行網絡壓力測試時，應考慮網絡的體系結構與底層的基礎性作用，并且網絡壓力測試應自下而上進行，包括過程層網絡測試與站控層網絡測試。

　　此外，在對IED設備進行網絡測試時，需對IED設備分別進行非訂閱報文網絡壓力測試和訂閱報文網絡壓力測試。訂閱報文，即APPID、MAC地址與接收IED模型一致的報文，若有一個不一致，即為非訂閱報文。對于非訂閱報文， IED設備會對非訂閱報文利用哈希算法進行過濾[6]，其原理如下：每個報文均含有長度為6 B的MAC地址，哈希算法利用這6 B的MAC地址進行計算，得出32位的CRC值，與特征值進行比較，若不匹配，則將其過濾。由于計算得出的CRC值是32位數據，而長度為6 B的MAC地址值是48位數據，而32位數據無法一一映射所有48位數據，因此不同的MAC地址值將會對應至相同的CRC值，兩者之間的映射關系并非一一對應，會產生一定的重復，由此產生過濾“漏洞”[6-8]，因此仍需進行非訂閱報文網絡壓力測試。

　　3 IED設備網絡壓力測試通用要求

　　建立IED設備通用網絡模型如圖2所示，該IED是一個通用的IED，并不一定是實際工程中的IED，其通信接口包含了各種可能的方式。通用模型中端口分為A、B兩組，A組與B組端口為級聯關系，如母線電壓經線路合并單元級聯輸出，GOOSE分為單端口單鏈路（一根光纖中傳輸一個GOOSE控制塊）與單端口多鏈路（一根光纖中傳輸多個GOOSE控制塊）兩類，端口B1為單向發送SV的端口，如合并單元的“直采”輸出口；端口B2為單向接收SV端口，如保護裝置的“直采”接收口；端口B3為接至交換機的SV端口；端口B6為SV、GOOSE共光纖共網傳輸端口。

　　對通用IED設備的網絡壓力性能提如下要求：

　　（1）輸入通道上產生的網絡壓力不能影響到IED的輸出通道，即A組端口上的壓力，不能影響到B組端口。例如，端口A1的訂閱報文及非訂閱報文壓力不能影響到端口B1的采樣值報文輸出，即直采輸出口不能有丟幀、錯序，時間均勻性及采樣精度要滿足要求。

　　（2）任何端口都不應該受非訂閱報文網絡流量異常的影響。即使依據哈希算法報文會漏過過濾，亦不能對IED運行造成影響。

　　（3）任何鏈路訂閱報文的網絡流量異常都不能影響其他端口鏈路的正常工作。

　　（4）對于多鏈路的端口，當出現一條鏈路訂閱報文流量異常時，在極限壓力（100 Mb/s情況下），應當不影響其他端口正常工作，本端口各鏈路在流量異常消失后端口能恢復正常工作。

　　（5）對于多鏈路的端口，應至少滿足出現15條鏈路心跳報文自然同步時仍能正常工作的要求。

　　（6）站控層的網絡流量異常，不應對保護的動作行為產生影響，即站控層MMS網產生壓力時，保護的正確跳閘應不受影響。

　　上述要求實例化到“直采直跳”模式下的過程層主要IED設備，簡要說明如下：

　　（1）合并單元：接至交換機上的組網口SV、GOOSE任何流量（訂閱報文或非訂閱報文流量）異常不能對直采口的SV輸出產生影響，GOOSE與SV組網口不能相互影響；對于線路合并單元，母線級聯電壓SV輸入流量異常，不能影響到輸出的SV報文，包括線路電壓電流的采樣精度及“直采”輸出口報文的時間均勻性、傳輸時延等。

　　（2）智能終端：接至交換機的組網口訂閱報文及非訂閱報文流量異常時不能對“直跳”端口產生影響；對于多鏈路端口，在15條鏈路心跳報文自然同步時能正常工作，單鏈路訂閱報文極限壓力流量下，允許端口丟失數據，但不影響其他端口鏈路工作，壓力消失后本端口能恢復正常工作。

　　（3）保護裝置：當組網口訂閱的GOOSE報文發生流量異常時，不影響保護裝置對正常報文的處理，不影響保護的“直采”、“直跳”功能；非訂閱報文流量異常時，不能對經交換機轉輸的聯閉鎖信息產生影響，多鏈路端口滿足心跳報文自然同步的要求，同時在壓力極限條件下，不影響其他端口工作，壓力消失后端口能恢復正常工作；站控層MMS網的網絡流量異常時不能對保護正確跳閘產生影響。

4 網絡壓力測試的實現

　　天津電力公司與武漢凱默電氣有限公司聯合進行了智能變電站網絡壓力測試技術的研究，構建了網絡壓力測試平臺，該平臺具有交換機測試功能及智能變電站網絡壓力測試功能，平臺軟件主界面如圖3所示。

　　該平臺具有8對10M/100M自適應光電可互換的以太網接口，1路獨立光IRIG-B碼/PPS輸入端口，2路獨立光IRIG-B碼/PPS輸出端口，1路GPS天線接口，8路硬接點開入，8路硬接點開出，在網絡壓力測試方面，能夠準確地輸出兩大類數據流：壓力數據流及業務數據流。壓力數據流又分為IEC61850機制壓力數據流及流量機制壓力數據流。IEC61850機制數據流是指SV按照設定的采樣率、GOOSE按照T0、T1、T1、2T1、4T1…時間機制輸出的數據流，流量機制數據流可輸出SV、GOOSE及以太網報文，輸出的報文均按流量設置，不受采樣率、GOOSE機制限制，GOOSE輸出過程中可進行ST、SQ變化。此外，在壓力數據流輸出的同時，又可配合輸出業務數據流，輸出的業務數據流可實現光數字報文輸出、整組試驗、GOOSE碰撞、智能終端測試、狀態序列、電壓電流、PTP測試等功能。

5 總結

　　本文詳細分析了智能變電站網絡壓力產生的原因，包括GOOSE心跳報文自然同步、IED設備故障、交換機“泛洪”、A、B網物理隔離破壞和外部因素等原因。提出了IED設備網絡壓力測試的方法：先分別進行單裝置測試，再進行IED設備整體性能測試；結合網絡結構自下而上的特點，以非訂閱報文和訂閱報文兩種形式分別進行網絡壓力測試。在此基礎上提出了網絡壓力環境下對IED設備進行測試的具體要求，并闡述了測試方法，即以非訂閱報文測試和訂閱報文測試的形式，分別在被測試設備端口施加SV、GOSSE報文，測試IED設備能否對非訂閱報文進行正常過濾，然后測試保護發生區內、區外故障且激勵量滿足動作條件時，被測試設備能否正確動作。本文的研究對智能變電站網絡的設計以及壓力測試等都有指導性作用。

參考文獻

　　[1] 丁騰波，林亞男，趙萌.智能變電站虛擬局域網邏輯結構劃分方案的研究[J].電力系統保護與控制，2012，40(1)：115-118.

　　[2] 劉永輝，黃莎莎.網絡風暴對電力調度交換機的影響分

　　析[J].電力系統通信，2010，31(10)：62-64.

　　[3] 鄭新才，施魯寧.IEC61850標準下采樣值傳輸規范9-1、9-2的對比和分析[J].電力系統保護與控制，2008，36(18)：47-50.

　　[4] 宋麗君，王若醒，狄軍峰，等.GOOSE機制分析、實現及 其在數字化變電站中的應用[J].電力系統保護與控制，2009，37(14)：31-34.

　　[5] 劉昊昱，左群業，張保善.智能變電站過程層網絡性能測試與分析[J].電力系統保護與控制，2012，40(18)：112-116.

　　[6] 王松，黃曉明.GOOSE報文過濾方[7] 婁悅，秦華，孫純軍.220kV西涇智能變電站二次系統的設計[J].華東電力，2011，39(05)：0732-0736.

　　[7] 婁悅，秦華，孫繼軍.220 kV西涇智能變電站二次系統的設計[J].華東電力，2011，39(5)：732-736.

　　[8] 伍鐵晟.多播硬件過濾寄存器設置問題探討[J].湘潭大學自然科學學報，2005，27(2)：62-65.法研究[J].電力系統自動化，2008，32(19)：54-57．